Mechanisms and Inhibition of Borehole Instability Encountered in Drilling the Shiqianfeng Formation – Shihezi Formation in the East of Yan’an Gas Field
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摘要: 为了研究延安气田东部区域钻井过程中石千峰组-石盒子组井壁失稳的内在原因，对该地层岩样的矿物组分、理化特征、力学特性进行深入分析，并针对井壁失稳机理提出了抑制液相自吸的稳定井壁对策。研究可知：延安气田东部区域石千峰组-石盒子组黏土矿物含量分布在15.44%～47.52%，属弱膨胀中等分散性岩性，岩心中微裂缝、微孔隙发育，是导致液相侵入、井壁坍塌的主要因素；石千峰组-石盒子组岩样在蒸馏水中滚动回收率低于67.2%、线性膨胀率低于8.14%，石盒子组岩样分散相更强，润湿性均表现为亲水性，且石盒子组岩心的亲水性更强；石千峰组岩样经钻井液浸泡后三轴抗压强度由186.04 MPa降低至98.13 MPa；石盒子组岩样浸泡后三轴抗压强度由90.09 MPa降低至49.21 MPa，表明钻井液沿微孔隙、微裂缝侵入后使岩石强度降低；0.3%自吸水抑制剂ZXS-1可使石盒子组岩样水相和油相在岩心内的饱和度由72.6%和86.6%降低至4.7%和33.5%，并在岩石表面形成一层致密的分子吸附层，将岩心表面的润湿性由亲水性转变为疏水性，通过抑制岩样吸水，达到封堵微裂缝、阻止液相侵入的稳定井壁效果。Abstract: To find out the inherent causes related to the borehole wall collapse in drilling the Shiqianfeng formation – Shihezi formation in the east of the Yan’an gas field, samples were taken from the rig-sites and were studied for their mineral composition, physical-chemical features and mechanical characteristics. Based on the study a measure dealing with the borehole wall collapse, which is to inhibit the self-imbibition of liquid into the formation rocks, is presented. From the study it was found that the Shiqianfeng formation – Shihezi formation in the east of the Yan’an gas field contain 15.44% – 47.52% clays, and are a formation with weak expandability and moderate dispersibility. The rock samples are developed with micro-fractures and micro-fissures which are the main causes for the invasion of liquids and hence the collapse of borehole walls. The percent cuttings recovery of the samples tested on hot roller tester in distilled water is less than 67.2%, and the linear percent expansion of the cores made of the samples in distilled water is less than 8.14%. The Shihezi formation shows stronger dispersibility and stronger hydrophilicity than those of the Shiqianfeng formation. After soaking in a drilling fluid, the triaxial compressive strength of the Shiqianfeng sample is reduced from 186.04 MPa to 98.13 MPa, and the triaxial compressive strength of the Shihezi sample is reduced from 90.09 MPa to 49.21 MPa, indicating that the invasion of the drilling fluid into the rocks along the micro-fractures and micro-fissures causes the strengths of the formations to reduce. Using 0.3% self-imbibition inhibitor ZXS-1, the degrees of saturation of water phase and oil phase in the rock samples can be reduced from 72.6% and 86.6% to 4.7% and 33.5%, respectively, and the ZXS-1 additive can form a dense layer of adsorption around the surfaces of the rocks, thereby turning the wettability of the rock surfaces from hydrophilicity to hydrophobicity. By inhibiting the water imbibition into the rocks, the micro-fractures and micro-fissures are plugged and the liquid can no longer invade into the rocks, and the borehole walls are thus stabilized.
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天然气资源是实现“碳中和”目标的现实选择，致密气是天然气开发的重要领域[1-4]。鄂尔多斯盆地延安气田位于陕西省延安、榆林两市，构造上处于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部，属地层平缓的西倾单斜，倾角小于1°。延安气田上古生界致密砂岩气藏主力含气层系为石炭系本溪组、二叠系山西组与下石盒子组盒8段，截至目前探明含气面积约8700 km2[5]，是延长石油集团实现每年产能150亿立方米建设的主战场。气田东部区域钻井过程中经常因井眼掉块、坍塌等情况导致起下钻遇阻、井眼扩大、卡钻等一系列井下复杂事故。据统计，气田已完钻井中复杂情况占比超过80%，由钻井工况可知，井壁失稳层位主要分布在石千峰组、石盒子组底部。虽然对该区域所钻遇复杂地层的井壁失稳机理和防塌对策已有初步研究[6]，但认识仍不够深入、全面，无法从根本上解决该区域严重井壁失稳问题。通过对延安气田东部区域石千峰组-石盒子组地层岩心的地层组构、理化特性、力学特征3方面进行深入分析，对该区域石千峰组-石盒子组井壁失稳机理再认识，提出针对性的井壁稳定技术对策。
1. 地层组构分析
1.1 矿物组分
基于延安气田东部区域的Y2004井、Y2005井石千峰组、石盒子组岩心开展针对性研究，首先采用X-射线衍射分析（XRD）方法对石千峰组、石盒子组岩样矿物组分进行分析，结果如图1所示。
由图1矿物组分分析结果可知，石千峰组岩样黏土矿物总量分布在15.44%～34.07%，平均含量为27.86%，以伊利石和绿泥石为主，无蒙脱石，伊/蒙混层分布在12.28%～23.68%，石英、长石等脆性矿物含量分布在61.57%～82.59%；石盒子组岩样中黏土矿物总量分布在33.84%～47.52%，平均含量为37.70%，以伊利石、高岭石和绿泥石为主，无蒙脱石，伊/蒙混层分布在9.15%～23.71%，石英、长石含量分布在51.94%～65.08%。蒙脱石具有较强的水化分散和膨胀能力，而高岭石具有一定的水化分散作用[7-9]，石千峰组、石盒子组岩样黏土矿物中均无蒙脱石，含有一定量的伊/蒙混层，表明岩样的水化膨胀能力较弱，石盒子组高岭石含量较高，表明相对于石千峰组岩样具有更强的水化分散作用。
1.2 铸体薄片
取Y2005井石千峰组、石盒子组岩心，通过铸体薄片法分析岩样矿物成分和微观结构特征，结果如图2所示。
由测试结果可知，石千峰组、石盒子组地层岩样中均含有灰黑色泥岩成分，同时薄片中存在微裂缝。相较于石千峰组，石盒子组薄片颜色更深，表明岩样中泥质含量更高，与矿物组分分析结果一致，坍塌风险更高。
1.3 扫描电镜
通过扫描电镜分析石千峰组、石盒子组岩样微观结构特征，结果如图3所示。
由测试结果可知，石千峰组、石盒子组岩样中均含有较多微裂缝，微裂缝尺寸分布在5 μm以内。岩心基质除部分发育有微裂缝外，总体表现为渗透性较差。在无裂缝发育的条件下，正常钻井压差条件下，流体很难依靠压差驱动进入地层内部。钻井破岩过程中导致井周岩石卸载产生微裂缝后，显著改变井周地层应力分布，钻井液在压差作用下将侵入地层，液相侵入后的水力尖劈作用将导致微裂隙进一步延伸，诱发井壁失稳。因此，岩心中微裂缝的存在是导致液相侵入、井壁坍塌的主要影响因素，有效封堵微裂缝、阻止液相侵入是保障石千峰组、石盒子组地层井壁稳定的必要措施[10-11]。
2. 理化特性分析
2.1 岩心水化特征
泥页岩的水化分散和膨胀性是宏观评价泥页岩层段井壁稳定性的重要指标。由前文分析可知，石千峰组-石盒子组岩样中含有黏土矿物，且黏土矿物中具有水化分散和膨胀作用的伊/蒙混层、高岭石占有较高比例，因此，通过滚动回收率和线性膨胀率实验分析该层位岩样的水化分散性和膨胀性，实验方法依据标准SY/T 5613—2016[12-13]。分别使用蒸馏水和现场用的钾盐聚合物钻井液（以下称现场钻井液）对石千峰组、石盒子组岩心的回收率和膨胀率进行测试，结果如表1所示。
表 1 石千峰组-石盒子组岩样回收率、膨胀率测试结果井号 层位 液体类型 m热滚后/g 滚动回
收率/%线性膨
胀率/%2 h 16 h Y2004井 石千峰组 蒸馏水 33.6 67.2 5.12 6.46 现场钻井液 42.4 84.8 4.78 5.62 石盒子组 蒸馏水 27.8 55.6 6.85 7.56 现场钻井液 39.6 79.2 5.86 6.98 Y2005井 石千峰组 蒸馏水 32.2 64.4 5.47 6.18 现场钻井液 41.9 83.8 4.89 5.76 石盒子组 蒸馏水 25.4 50.8 7.32 8.14 现场钻井液 38.6 77.2 5.72 6.74 岩样在蒸馏水中的滚动回收率均低于现场钻井液，同时石盒子组岩样的回收率低于石千峰组，这表明石盒子组岩样的水化分散性强于石千峰组，现场所用的钾盐聚合物钻井液具有一定的抑制水化分散能力。线性膨胀率结果表明，岩心初期膨胀率较高，在蒸馏水中的膨胀率低于8.14%，说明岩心的水化膨胀作用较弱，钻井液对石千峰组、石盒子组岩心的膨胀率均低于蒸馏水，现场所用钾盐聚合物体系的抑制性基本满足抑制岩心水化膨胀的要求。
2.2 电动电位
通常情况下，含有泥页岩的地层由于黏土矿物在形成过程中的晶格取代作用带有负电，泥页岩的电动电位与其水化分散程度密切相关。一般电动电位越高表明泥页岩越易分散，越不利于井壁稳定[14-15]。Y2004井、Y2005井石千峰组、石盒子组岩样经滚动回收率实验后，通过Zeta电位仪测定上部清液的电动电位，结果见表2。
表 2 石千峰组-石盒子组岩样滚动分散后的电动电位井号 岩心层位 液体类型 电动电位/mV Y2004井 石千峰组 蒸馏水 −30.6 现场钻井液 −25.4 石盒子组 蒸馏水 −34.8 现场钻井液 −26.8 Y2005井 石千峰组 蒸馏水 −31.4 现场钻井液 −26.2 石盒子组 蒸馏水 −36.2 现场钻井液 −25.4 由表2可知，延安气田东部石千峰组岩样在蒸馏水中的电动电位最低为−31.4 mV、在现场钻井液中的电动电位最低为−26.2 mV；石盒子组岩样在蒸馏水中的电动电位最低为−36.2 mV、在现场钻井液中的电动电位最低为−26.8 mV。这表明石盒子组岩样分散相更强，而现场用钻井液具有一定的抑制水化分散效果。
2.3 润湿性
润湿性是研究岩心内微孔隙和微裂缝毛细管自吸作用强弱的重要指标。选用Y2005井石千峰组、石盒子组岩心进行制样，通过测试其表面接触角评价岩样润湿性，结果如图4所示。
由测试结果可知，石千峰组、石盒子组岩样与蒸馏水的接触角分别为34°左右、29°左右，润湿性均表现为亲水性，且石盒子组岩心的亲水性更强，表明钻井液中液相在毛细管力作用下更易通过微孔隙和微裂缝侵入石盒子组地层，从而增加石盒子组地层坍塌风险。
3. 力学特征分析
井壁失稳的本质原因是井周岩石力学强度降低从而导致易被破坏，影响岩石力学强度降低的因素包括钻头破岩、机械扰动等物理作用以及液相侵入、水化作用、离子交换等化学原因。为进一步研究钻井液化学作用对岩石强度的影响过程，笔者通过岩石硬度和三轴抗压强度实验分析石千峰组、石盒子组岩样在现场钻井液中浸泡后的强度变化。岩样浸泡时间为72 h、温度为120 ℃、浸泡压力为3.5 MPa，使钻井液与岩心发生充分的相互作用。
3.1 岩石硬度
硬度是岩石抵抗其他物体侵入的能力，岩石硬度用压入硬度表示，也称史氏硬度。实验采用圆柱平底压模，压模直径是2.95 mm，样品是全直径岩样，将全直径岩样两端切平，实验依据为DZ/T 0276.6—2015[16-17]。实验测试结果如图5和表3所示，压入硬度计算见式（1）。
表 3 岩样硬度实验结果岩心层位 实验条件 实验载荷/kN 硬度/MPa 石千峰组 浸泡前 5.1421 752.3269 浸泡后 4.3198 632.0184 石盒子组 浸泡前 4.2338 619.4360 浸泡后 3.6520 534.3144 岩石压入硬度的公式
$$ {P_K} = \dfrac{P}{S} $$ (1) 式中，
${P_K}$ 为岩石的压入硬度，MPa；$P$ 为发生完全破碎时的压力，N；$S$ 为压模的底面积，mm2。图5和表3结果表明，石盒子组岩样硬度低于石千峰组，这可能与石盒子组岩样中黏土矿物含量较高有关。经现场钻井液浸泡后，岩石强度均呈现一定程度降低，表明钻井液沿微孔隙、微裂缝侵入后, 与岩石发生物理化学作用，致使岩石强度降低。
3.2 三轴抗压强度
岩石的三轴抗压强度实验能反映岩石承受各种载荷的特性以及岩石抵抗破坏的能力和破坏的规律。通过RTR-1000型三轴岩石力学伺服测试系统测试石千峰组、石盒子组岩样在现场钻井液浸泡前后的三轴抗压强度，实验设定围压为20 MPa。测试结果如图6和图7所示。
石千峰组岩样钻井液浸泡后三轴抗压强度由186.04 MPa降低至98.13 MPa，石盒子组岩样经钻井液浸泡后三轴抗压强度由90.09 MPa降低至49.21 MPa。石盒子组岩样三轴抗压强度低于石千峰组，这是由于石盒子组岩样中微裂缝相对较多、岩样黏土矿物含量较高引起。经钻井液浸泡，液相沿微裂缝孔道侵入岩心深部造成强度降低。
经以上分析，延安气田东部区域石千峰组-石盒子组地层井壁失稳与岩石矿物组份、微观结构、理化特性、力学特征等均有关，是多种因素综合作用的结果，表现为：①岩石中节理、微裂缝、微裂隙发育，钻开地层后引起压力释放使得裂缝延伸扩展，加之钻井液滤液沿微裂缝侵入产生水力尖劈作用，导致地层岩石进一步破碎、诱发井壁失稳；②岩心的亲水性造成毛细管吸水效应突出，岩石中黏土矿物与滤液的阳离子交换导致水化作用增加，削弱岩石间的黏结和强度，加之黏土矿物水化不均匀引起岩石局部强度下降而发生剥落掉块；③钻进过程中岩石经钻井液的长时间浸泡及冲刷作用以及钻柱机械扰动引起的应力破坏加剧了井壁周围地层碎裂、垮塌[18-19]。因此，提高现用钻井液体系的抑制封堵能力，采取多种方法抑制液相渗吸、封堵微裂缝孔隙，阻止液相侵入是保持该类地层井壁稳定，减少井下复杂事故发生、保障井下安全的关键[20-21]。
4. 抑制液相自吸的稳定井壁对策
针对石千峰组-石盒子组以及类似的地层，易水化黏土矿物含量较少，属弱膨胀中等分散地层，稳定井壁的钻井液措施则应从常规的“强化抑制+封堵”转变为“有限抑制+多元封堵”，重点增强钻井液对微孔隙、微裂缝的封堵能力。基于前文研究，石千峰组-石盒子组地层岩心具有较强的亲水性，通过抑制微裂缝的液相自吸作用协同物理封堵共同阻止液相侵入作用造成的井壁失稳问题。通过实验分析了自吸水抑制剂的作用机理。
4.1 自吸水抑制剂对岩心吸水能力的影响
室内研制了一种自吸水抑制剂ZXS-1，采用自吸法研究自吸水抑制剂对岩心润湿性能的影响，该方法通过测定岩心液相饱和度随自吸水时间变化的关系来评价岩心润湿性。自吸水抑制剂ZXS-1配制成0.3%的溶液，将制备好的石盒子组岩心块放置其中老化48 h，将老化后的岩心干燥后测定液相饱和度随自吸时间变化的关系，见图8。
由图8结果可知，未处理岩心表现出双亲性，岩心中水相和油相的液相饱和度在短时间内大幅上升。随着自吸时间达到2 h后，岩心的液相饱和度趋于平稳，岩心中水相和油相的饱和度稳定在72.6%和86.6%。以0.3%ZXS-1抑制剂溶液处理岩心后，水相和油相在其内的液相饱和度明显下降，岩心内含水饱和度和含油饱和度分别降至4.7%和33.5%，岩心的吸水量极低。这是由于抑制剂分子在自吸作用下进入岩石孔喉内，与岩心表面矿物结构上官能团在化学反应或物理吸附作用下形成一层致密的抑制水化的吸附膜，实现岩石多孔介质中的润湿反转。当岩石孔隙润湿发生反转后，孔隙内毛细管压力变为阻力，液相流动阻力增大，表现为岩心自吸作用减弱，液相饱和度降低，这一结果与接触角测定结果一致[22-23]。
4.2 自吸水抑制剂对岩心表面形貌的影响
通过扫描电子显微镜（SEM）研究岩心经0.3%自吸水抑制剂ZXS-1处理前后表面微观形貌的改变情况。图9（a）为岩心未处理之前的表面形貌，可以看出，岩心未经处理前表面微观形貌凹凸不规则，含有锋利的岩片和不同形状的岩屑，同时分布有深浅不一的微裂缝。图9（b）为岩心经ZXS-1处理后的微观形貌，当岩心经ZXS-1溶液处理后，岩石表面上形成一层致密的自吸水抑制剂分子吸附层，将岩石原来的形貌完全覆盖。该吸附层的存在可将岩心表面的润湿性由液相润湿反转非润湿，达到既疏水又疏油的效果，同时可大幅降低岩石的表面能。扫描电镜测试结果表征了岩心表面吸附层的存在，表明自吸水抑制剂通过在岩心表面形成吸附膜来实现润湿性的反转[24-25]。
5. 结论
1.延安气田东部区域石千峰组-石盒子组黏土矿物含量分布在15.44%～47.52%，黏土矿物中无蒙脱石，伊/蒙混层含量为9.15%～23.71%，属弱膨胀中等分散性岩性。岩心微裂缝、微孔隙发育，是导致液相侵入、井壁坍塌的主要影响因素，有效封堵微裂缝、阻止液相侵入是保障石千峰组、石盒子组地层井壁稳定的必要措施。
2.石千峰组岩样在蒸馏水中滚动回收率大于64.4%，石盒子组岩样在蒸馏水中滚动回收率低于55.6%；石千峰组-石盒子组岩样线性膨胀率低于8.14%。电动电位测试结果表明，石盒子组岩样分散相更强，现场用钾盐聚合物钻井液具有一定的抑制水化分散效果。石千峰组、石盒子组岩样润湿性均表现为亲水性，且石盒子组岩心的亲水性更强。
3.石盒子组岩样力学硬度低于石千峰组，经现场钻井液浸泡后岩石强度均降低；石千峰组岩样经钻井液浸泡后三轴抗压强度由186.04 MPa降低至98.13 MPa；石盒子组岩样浸泡后三轴抗压强度由90.09 MPa降低至49.21 MPa，表明钻井液沿微孔隙、微裂缝侵入后，与岩石中产生一系列物理化学作用，致使岩石强度降低。
4.研制了一种自吸水抑制剂ZXS-1，加量0.3%时可使石盒子组岩样水相和油相在岩心内的饱和度由72.6%和86.6%降低至4.7%和33.5%，并在岩石表面形成一层致密的分子吸附层，将岩心表面的润湿性由亲水性反转为疏水性，同时大幅降低岩石表面能，通过抑制岩样吸水，起到封堵微裂缝、阻止液相侵入的效果。
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表 1 石千峰组-石盒子组岩样回收率、膨胀率测试结果
井号 层位 液体类型 m热滚后/g 滚动回
收率/%线性膨
胀率/%2 h 16 h Y2004井 石千峰组 蒸馏水 33.6 67.2 5.12 6.46 现场钻井液 42.4 84.8 4.78 5.62 石盒子组 蒸馏水 27.8 55.6 6.85 7.56 现场钻井液 39.6 79.2 5.86 6.98 Y2005井 石千峰组 蒸馏水 32.2 64.4 5.47 6.18 现场钻井液 41.9 83.8 4.89 5.76 石盒子组 蒸馏水 25.4 50.8 7.32 8.14 现场钻井液 38.6 77.2 5.72 6.74 
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表 2 石千峰组-石盒子组岩样滚动分散后的电动电位
井号 岩心层位 液体类型 电动电位/mV Y2004井 石千峰组 蒸馏水 −30.6 现场钻井液 −25.4 石盒子组 蒸馏水 −34.8 现场钻井液 −26.8 Y2005井 石千峰组 蒸馏水 −31.4 现场钻井液 −26.2 石盒子组 蒸馏水 −36.2 现场钻井液 −25.4
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表 3 岩样硬度实验结果
岩心层位 实验条件 实验载荷/kN 硬度/MPa 石千峰组 浸泡前 5.1421 752.3269 浸泡后 4.3198 632.0184 石盒子组 浸泡前 4.2338 619.4360 浸泡后 3.6520 534.3144
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